Universität Stuttgart
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Item Open Access Automatische Applikation modellbasierter Diesel-Luftsystem-Funktionen in Motorsteuergeräten(2020) Xie, Yijiang; Kistner, Arnold (Prof. Dr.-Ing.)The continuous development of diesel engines for meeting the legal and functional requirements, e.g. reducing emissions and fuel consumption while taking drivability into account, has led to a significant increase in the number of sensors and actuators required for the engine. For the diesel-air system it means to introduce a turbocharger, a system for exhaust gas recirculation (EGR), an exhaust gas aftertreatment system, a variable valve control, etc. In order to control such an increasingly complex system in diesel engines, ECU-functions are developed by means of a model-based approach. The success of a model-based development methodology is based on a precise and e cient modeling of the relevant engine behavior. Because of the limited computing power of an ECU, a combination of physical models and so-called calibration parameters is usually preferred for engine modeling. The calibration parameters can be scalar or one or two-dimensional empirical models and usual ly have to be determined (calibrated) by experiments on an engine test bench. Typical examples for such calibration parameters are lookup-tables for modeling the cylinder charge (volumetric e ciency) and the e ective area of the EGR valve. In this thesis a procedure is proposed which is able to calibrate the ECU functions for stationary relationships, e.g. in the diesel-air system, automatically and with as little measurement e ort as possible in terms of the number of measurement points. The algorithm runs within the framework of sequential experimental planning, in which Gaussian models with non-stationary covariance functions are used to approximate the relations of interest. For adaptive experimental planning an active sampling strategy is developed based on the concept of mutual information and optimal system inputs (engine speed, fuel quantity, air actuators, etc.) and which determines the resulting operating points, with respect to the input space coverage, the inhomogeneous properties of the relations, the uncertainty of the estimated calibration parameters and the feasibility of the operating points. The method is able to predict the stationary engine behavior, which results from the selected system inputs, by means of the physical structure of the air system and the data-based models of the calibration parameters. On this basis the uncertainties of the application parameters are estimated using extended Kalman filters. The feasibility of the operating point is checked by comparing the predicted system behavior with the engine limits. For validation the developed algorithm was implemented on an engine test bench to calibrate the air system of a diesel engine equipped with high and low pressure EGR, a variable geometry turbocharger and variable valve timing. As a result, using the presented approach, using as little as approx. 130 measurement points is enough to obtain a comparable application quality to that achieved by conventional methods with more than 800 measurement points.Item Open Access Untersuchungen zu flüssigkeitsbasierten, kapazitiven Neigungswinkelsensoren(2022) Schwenck, Adrian; Zimmermann, André (Prof. Dr.-Ing.)Bei der Neigungswinkelmessung wird die relative Lage von Objekten zum Erdschwerfeld bestimmt. Stand der Technik im Bereich der Konsumgüter, der Industrietechnik, der Messtechnik oder der Fahrzeugtechnik sind vor allem Sensoren auf Basis von Beschleunigungssensoren. Diese werden hauptsächlich als Mikrosysteme (MEMS) ausgeführt und mittels mikrotechnischer Verfahren hergestellt. Die Neigungswinkelmessung, erfolgt dabei anhand einer Messung der Projektion der Erdbeschleunigung auf die sensitive Achse oder Achsen. Der in dieser Arbeit vorgestellte flüssigkeitsbasierte, kapazitive Sensor soll eine Alternative zu den MEMS-Beschleunigungssensoren bieten. Aufgrund seiner einfachen Herstellbarkeit mittels Standard-Surface-Mount-Technology (SMT) kann er durch kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) auf meist vorhandener Anlagentechnik produziert werden. Die MEMS-Fertigung hat den Vorteil der kostengünstigen Massenfertigung im Batch. Dafür sind jedoch technologisch anspruchsvolle Reinraumprozesse notwendig, die nur bei großen und darauf spezialisierten Unternehmen zu finden sind. Die Arbeit stellt zuerst den Stand der Technik der Neigungs- und Beschleunigungsmessung sowie der Molded Interconnect Device (MID) Technologie vor und beschriebt dann das Sensorprinzip der flüssigkeitsbasierten +/-90° und 360° Neigungswinkelmessung. Dieses basiert darauf, dass sich die Oberfläche einer Flüssigkeit aufgrund der Gravitationskraft immer horizontal ausrichtet. Der Sensor verwendet eine dielektrische Flüssigkeit in einer teilweise gefüllten Kavität und bestimmt kapazitiv seine Lage zur Flüssigkeitsoberfläche. Zur Sensorauslegung werden ein analytisches Modell sowie eine Monte-Carlo-Simulation verwendet. Danach werden die Aufbau- und Verbindungstechniken (AVT) zur Herstellung der Sensoren beschrieben. Es kommen dabei zwei Varianten für die Ausformung der Kavität für das Fluid zum Einsatz. Eine Sensorvariante nutzt die die MID-Technik. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von Standard-Leiterplatten, welche gestapelt und verlötet werden. Anschließend wurden die grundlegenden Sensoreigenschaften von drei Sensorvarianten charakterisiert. Dazu wurden Kennlinien der Sensoren bei Raumtemperatur aufgenommen und daraus eine Kalibrationsvorschrift für die Winkelberechnung abgeleitet. Da Neigungswinkelsensoren eine Sensitivität auf Neigungen quer zur Messachse haben können, wurden Messungen mit unterschiedlichen Querneigungen durchgeführt. Zur Charakterisierung der dynamischen Eigenschaften wurde die Abklingzeit der Sensoren bestimmt. Da der Sensor einen systematischen Einfluss der Temperatur auf die Steigung der Sensorkennlinie zeigt, wurde dieser gemessen und Möglichkeiten zur Kompensation untersucht. Temperaturschocktests zur beschleunigten Alterung schließen die Charakterisierungen der Sensoren ab. Abschließend diskutiert die Arbeit die Monte-Carlo-Simulation, die Temperaturkompensation und die Ergebnisse des Benchmarks. Ein Vergleich einer Monte-Carlo-Simulation mit einem analytisch berechenbaren Fall zeigt die grundsätzliche Eignung der Simulation zur Beschreibung des Sensorverhaltens. Die Ergebnisse der Simulation für verschiedene Temperaturen wurden drüber hinaus mit Messungen von Sensoren und einem rechnerischen Ansatz zur Temperaturkompensation verglichen. Dabei zeigte sich ebenfalls eine sehr gute Übereinstimmung von Simulation und Messung. Mithilfe der mathematischen Temperaturkompensation konnte der systematische Temperaturfehler weitgehend korrigiert werden. Bei der Diskussion des Benchmarks werden die wichtigsten technischen Eigenschaften der Sensoren, Allan-Deviation, Temperaturstabilität und Nichtwiederholbarkeit verglichen. Dabei zeigten die flüssigkeitsbasierten Sensoren eine im Zielmarkt wettbewerbsfähige Performance, vor allem für Anwendungen, welche ein geringes Rauschen, eine gute Bias-Stabilität sowie eine geringe Hysterese des Sensorsignales benötigen.Item Open Access Molekularstrahlepitaxie und Charakterisierung unverspannter Silizium-Germanium-Zinn-Legierungen auf virtuellem Germanium-Substrat(2022) Schwarz, Daniel; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)Item Open Access Organische Dünnschichttransistoren mit gedrucktem Halbleiter für Schaltungen und Anzeigen(2019) Strecker, Michael; Frühauf, Norbert (Prof. Dr.-Ing.)Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung von organischen Dünnschichttransistoren mit gedrucktem Halbleiter für Anwendungen der gedruckten Elektronik. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Untersuchung der Abscheidung organischer Halbleiterlösungen durch Tintenstrahldruck, während die Abscheidung und Strukturierung der übrigen Metallisierungen auf vorwiegend konventionellen Dünnschichtprozessen basieren. Entsprechend potentieller Einsatzmöglichkeiten gedruckter Elektronik wurde die Entwicklung an einen energiesparenden Betrieb ausgerichtet. Als Halbleiter wurden daher Lösungen aus einem Polymer (p-Typ) und einem Perylendiimid-Derivat (PDI, nTyp) eingesetzt, mit dem Ziel eines kompatiblen Prozesses zum Einsatz der Transistoren in komplementären Ansteuerschaltungen und Anzeigen. Ein niedriges Spannungsniveau wurde durch ein dünnes, anodisiertes Dielektrikum mit hohem Kapazitätsbelag realisiert. Die Halbleiter wurden vor allem hinsichtlich ihrer Verdruckbarkeit, der morphologischen Eigenschaften und des daraus resultierenden elektrischen Verhaltens der Transistoren untersucht. Eine zentrale Erkenntnis ist, dass die Halbleiter sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Stoffeigenschaften in der Verarbeitbarkeit durch den Druckprozess erheblich unterscheiden. Der Polymerhalbleiter zeichnet sich durch ein im Wesentlichen unproblematisches Benetzungsverhalten, robuste Prozessierbarkeit und vergleichsweise geringe Ladungsträgerbeweglichkeit µ ≈10−3cm2V−1s−1 aus. Dagegen sind das Benetzungsverhalten und die Morphologie des PDI-Derivats stark vom gewählten Lösemittel abhängig. Die Morphologie variiert von körnigen, diskontinuierlichen Filmen mit amorpher Struktur (o-DCB, Tetralin) bis hin zu ebenen, polykristallinen Filmen (Dimethylphthalat, DMP). Entsprechend variiert die erzielte Ladungsträgerbeweglichkeit typischerweise von µ≈10−4cm2V−1s−1 bis µ≈10−1cm2V−1s−1. In allen Fällen zeichnet sich der Nassfilm durch eine ausgeprägte Spreitung aus. Während die Trocknung bei Lösungen aus o-DCB und Tetralin innerhalb weniger Sekunden abgeschlossen ist, dauert dies bei DMP aufgrund des niedrigen Dampfdrucks mehrere Minuten. Die endgültige Lage des Halbleiters kann dabei weder vorhergesagt noch kontrolliert werden, da es während der Trocknung zur willkürlichen Wanderung des Nassfilms relativ zu den bedruckten Transistorstrukturen kommt. Daher waren technologische Maßnahmen erforderlich, um die Lokalisation des Halbleiters reproduzierbar sicherzustellen. Hierzu wurden zwei Ansätze untersucht. Einerseits erfolgte die Lokalisation durch lokal modulierte Oberflächenspannungen mithilfe von strukturierten, selbstorganisierenden Monolagen mit hydrophobem Charakter. Dieser Prozess eignet sich auch zur Lokalisierung des Polymerhalbleiters, falls eine erhöhte Integrationsdichte erforderlich ist. Für das PDI-Derivat hat sich die Lokalisierung durch strukturierte Polymerwannen als Prozess der Wahl herausgestellt. Obwohl die Halbleiter, insbesondere das PDI-Derivat, bereits an Luft eine hohe Umweltstabilität aufweisen, wurde die Verkapselung der Halbleiter untersucht. Eine Verkapselung ist unabhängig von der intrinsischen Stabilität in komplexen, mehrschichtigen Systemen, wie Schaltungen und Anzeigen, erforderlich, um den Halbleiter vor nachfolgenden Prozessschritten zu schützen. Als Material der Wahl hat sich ein fluorierter Photolack basierend auf gegenüber den Halbleitern orthogonalen Lösemitteln erwiesen. Insbesondere der Polymerhalbleiter zeigt durch die Verkapselung eine Stabilisierung der Schwellspannung und eine erhöhte Langzeitstabilität. Durch die hydrophobe Verkapselung bleibt sogar eine mehrstündige Immersion in Wasser ohne Auswirkungen auf das Verhalten der Transistoren. Für beide Halbleitertypen wurden jeweils Prozesse für ein optimales Betriebsverhalten entwickelt. Aufgrund technologischer Einschränkungen und der geforderten ähnlichen Eigenschaften der Transistoren in komplementären Schaltungen ist die Schnittmenge eines für beide Halbleitertypen kompatiblen Prozesses allerdings gering. Die Realisierung komplementärer Grundschaltungen erfolgte daher auf Basis des BGBC-Prozesses mit Abscheidung des PDI-Derivats aus o-DCB. Die hergestellten Inverter, Nand-Gatter und Ringoszillatoren waren funktionsfähig, allerdings stellte sich die Betriebsstabilität als problematisch heraus. Durch elektrische Beanspruchung trat eine signifikante Verschiebung der Schwellspannungen ein, was zur raschen Degradation der Signalpegel führte. Alternativ wurde die unipolare Pseudo-CMOS-Technik auf Basis des Polymerhalbleiters untersucht. Diese Schaltungstechnik stellte sich als wesentlich robuster heraus. Es wurde sogar eine Art Lerneffekt beobachtet, der dazu führt, dass sich das anfänglich nicht-ideale Schaltverhalten von Invertern während des Betriebs durch Angleichung der Schwellspannungen einzelner Transistoren verbessert. Die Integrierbarkeit der entwickelten Transistorprozesse in ein komplexes, mehrschichtiges System wurde durch eine funktionsfähige, elektrophoretische Aktiv-Matrix-Anzeige demonstriert. Die Anzeige hat eine Auflösung von 32×32 Bildpunkten mit Ansteuerung durch organische Transistoren mit Polymerhalbleiter. Die Lokalisation des Halbleiters wurde aufgrund der geringen Transistordimensionen erfolgreich durch selbstorganisierende Monolagen realisiert. Durch die Verkapselung hatten nachfolgende Passivierungs-, Abscheide- und Strukturierungsprozesse keine signifikanten Auswirkungen auf die Transistoren. Die maximale Temperatur bei der Prozessierung betrug 150◦C.Item Open Access Active electronic loads for radiometric calibration(2017) Weissbrodt, Ernst; Kallfass, Ingmar (Prof. Dr.)Although radiometer systems are widely applied in very different fields, they all have one important requirement in common: They require a thorough radiometric calibration. Various conventional calibration references are well established, but their bulkiness, high power consumption, and complexity are limiting the expanding fields of application. Since novel industrial applications such as passive millimeter-wave imaging emerge, the requirements for calibration references have increased drastically. But also in scientific fields like radio astronomy, cosmology or environmental monitoring, modern remote sensing radiometers do not rely only on conventional references anymore. In this work, millimeter-wave monolithic integrated circuits (MMICs) based on metamorphic high electron mobility transistors (mHEMT) were designed to be used as active electronic loads for radiometric calibration. These novel references have not only the outstanding property, that they can be directly integrated on chip-level into the radiometer front-end, but also, that they can exhibit cold as well as hot reference noise temperatures. Since this is achieved without any physical cooling or heating, the power consumption is notably reduced. By monolithic integration of field effect transistor (FET) switches, theses multiple references can internally be routed to the receiver input without any mechanical wear. As a result, laborious external references can be omitted and the repetition rate of the calibration procedure increased, which results in a higher radiometric accuracy and allows a more compact and cost-effective design of modern radiometer systems. This work presents the first radiometric calibration front-end that allows to internally switch between active electronic cold and active electronic hot loads, as well as a passive ambient load. All components are integrated on a single MMIC, and a patent was granted for this innovation. To predict the achievable noise temperatures of active cold loads (ACLs), different simulation approaches were previously published. This work evaluates and adapts these existing approaches to design and manufacture several W-band loads. But the required design-flow was found to be very time-consuming because multiple iterations are necessary to successively design and optimize the input- and output matching networks, and to finally achieve the desired low noise temperature. Therefore, a novel simulation approach is introduced that makes efficiently use of modern optimization algorithms and the very accurate model library of the mHEMT technology and the passive structures. With this novel simulation method, the first active hot loads (AHLs) were designed as well as state-of-the-art ACLs up to 140 GHz. However, the characterization of low-noise one-port devices is particularly challenging, especially at such high frequencies. Hence, a substantial part of this work is to investigate the reliability of different noise measurement setups and the repeatability of noise temperature results. Dedicated setups in W- and D-band are used to characterize all manufactured active loads and some selected results are cross-checked by measuring the same circuits with independently designed measurement systems of other research facilities. The discrepant results are discussed, concluding that high variations in measured one-port noise temperature do not allow to rely on one single measurement setup. At the same time, this thorough investigation and comparison permits to establish an accuracy range within which the results of the manufactured active electronic loads are reliable, whereas other previously published ACLs are typically only measured with one measurement setup.Item Open Access Frequency-agile bandpass delta-sigma modulator for microwave transmitters(2019) Schmidt, Martin; Berroth, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)A large part of the power consumption for mobile communications can be allotted to power amplifiers. Class-S power amplifiers promise a very high power efficiency, especially for modern communication standards. An important part of the Class-S power amplifier is the modulator that converts the input signal into a binary pulse sequence. A switching-mode power amplifier can amplify this sequence efficiently. This work covers the implementation of such a modulator as a bandpass delta-sigma modulator. The goal is an output signal which fulfills the requirements of the mobile communication standard UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) in a frequency range which is as large as possible. The thesis starts with the basics of mobile communications, with power amplifiers and with the requirements for the transmit signals for UMTS. Based on a discrete-time lowpass delta-sigma modulator, a continuous-time bandpass delta-sigma modulator is derived. Due to project constraints a bipolar technology is selected for the implementation. Current-mode logic is used for amplifiers and latches in the digital part. Different circuits for a transconductance amplifier are derived and evaluated. A novel, switchable capacitance is presented. With the switchable capacitance a large frequency range of the modulator becomes possible. Two modulators are designed. The first modulator is not tunable and fulfills the UMTS requirements for the downlink channel from the base station to the user equipment at a signal frequency of 2.2 GHz. The second modulator uses the switchable capacitance and covers a frequency range between 1.55 GHz and 2.45 GHz. It fulfills the UMTS requirements within the frequency range between 1.8 GHz and 2.45 GHz.Item Open Access Entwicklung einer Methode der Displaybeleuchtung zur Unterstützung des menschlichen zirkadianen Systems(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Proß, Achim; Spath, Dieter (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)LED-Displays mit hohem Blaulichtanteil wirken nachweislich negativ auf den Tag-Nacht-Rhythmus. Diese Dissertation behandelt die kombinierte Fragestellung, wie spektrale Veränderungen der Displaybeleuchtung die nicht-visuelle Lichtwirkung und die Farbwahrnehmung des Menschen beeinflussen. Es wird eine Methode zur Displaybeleuchtung durch Verschiebung der Peak-Wellenlängen entwickelt, prototypisch realisiert und in zwei Probandenstudien evaluiert.Item Open Access Ultra-low-noise readout circuits for magnetoresistive sensors(2023) Mohamed, Ayman; Anders, Jens (Prof. Dr.-Ing.)The continuous search for highly sensitive, agile and cost-effective sensors for magnetic biosensing applications has been met with high performance magnetoresistive (MR) sensors. While the MR effect has been discovered 150 years ago, there is a growing trend of improving the sensitivity of MR sensors while keeping their noise performance as low as possible. However, such improvements have to be complemented with high performance frontends that can effectively amplify the minute MR sensor's signals while keeping the system's noise floor unaltered. More importantly, the designed frontends have to be equipped with offset compensation peripheral circuits that can efficiently handle the large spread of the base resistance in MR sensors with high MR ratios such as in tunnel magnetoresistive (TMR) sensors. In this thesis, we developed multiple frontend electronics that successfully interfaced MR sensors while, simultaneously, achieving competitive noise performance compared to state-of-the-art (SoA) designs tailored for MR sensor readout. The first variant of chips are specically designed for high performance and high linearity designs thanks to a novel implementation of an ultra-low-noise current bias achieving SoA current noise floor of 2.2 pA/sqrt(Hz) and chopped voltage-mode amplification stages resulting in a total voltage noise floor of 8 nV/sqrt(Hz), including a TMR sensor and a reference resistor with base resistance of 1 kOhm. In order to integrate an analog-to-digital converter (ADC) without substantial additional power and/or area, we show in this work a continuous-time current-mode Sigma-Delta modulator (CT C-SDM) that can directly interface MR sensors without additional amplifiers. Our proposed design does not only show a competitive noise floor of 8.1 pA/sqrt(Hz), but also features a novel DC servo loop (DSL) around the modulator that maximizes the useful dynamic range (DR) of the modulator while successfully rejecting the undesired DC offsets of MR sensors. Both design variants shown in this thesis, pave the way to designing high performance point-of-care (PoC) systems for in-vitro diagnostics while keeping their costs low compared to alternative bulky and expensive systems.Item Open Access Efficient modeling and computation methods for robust AMS system design(2018) Gil, Leandro; Radetzki, Martin (Prof. Dr.-Ing.)This dissertation copes with the challenge regarding the development of model based design tools that better support the mixed analog and digital parts design of embedded systems. It focuses on the conception of efficient modeling and simulation methods that adequately support emerging system level design methodologies. Starting with a deep analysis of the design activities, many weak points of today’s system level design tools were captured. After considering the modeling and simulation of power electronic circuits for designing low energy embedded systems, a novel signal model that efficiently captures the dynamic behavior of analog and digital circuits is proposed and utilized for the development of computation methods that enable the fast and accurate system level simulation of AMS systems. In order to support a stepwise system design refinement which is based on the essential system properties, behavior computation methods for linear and nonlinear analog circuits based on the novel signal model are presented and compared regarding the performance, accuracy and stability with existing numerical and analytical methods for circuit simulation. The novel signal model in combination with the method proposed to efficiently cope with the interaction of analog and digital circuits as well as the new method for digital circuit simulation are the key contributions of this dissertation because they allow the concurrent state and event based simulation of analog and digital circuits. Using a synchronous data flow model of computation for scheduling the execution of the analog and digital model parts, very fast AMS system simulations are carried out. As the best behavior abstraction for analog and digital circuits may be selected without the need of changing component interfaces, the implementation, validation and verification of AMS systems take advantage of the novel mixed signal representation. Changes on the modeling abstraction level do not affect the experiment setup. The second part of this work deals with the robust design of AMS systems and its verification. After defining a mixed sensitivity based robustness evaluation index for AMS control systems, a general robust design method leading to optimal controller tuning is presented. To avoid over-conservative AMS system designs, the proposed robust design optimization method considers parametric uncertainty and nonlinear model characteristics. The system properties in the frequency domain needed to evaluate the system robustness during parameter optimization are obtained from the proposed signal model. Further advantages of the presented signal model for the computation of control system performance evaluation indexes in the time domain are also investigated in combination with range arithmetic. A novel approach for capturing parameter correlations in range arithmetic based circuit behavior computation is proposed as a step towards a holistic modeling method for the robust design of AMS systems. The several modeling and computation methods proposed to improve the support of design methodologies and tools for AMS system are validated and evaluated in the course of this dissertation considering many aspects of the modeling, simulation, design and verification of a low power embedded system implementing Adaptive Voltage and Frequency Scaling (AVFS) for energy saving.Item Open Access Low-complexity adaptive digital equalizers for electronic dispersion compensation in optical fiber links(2022) Efinger, Daniel; Speidel, Joachim (Prof. Dr.-Ing.)This thesis addresses electronic equalization of intersymbol interference caused by chromatic and polarization mode dispersion in intensity-modulated optical communication links with direct detection. The simple and cost-efficient system setup is, even at high bit rates of 40 Gbit/s and beyond, of interest for short-haul optical links in metropolitan, aggregation or local area networks. Therefore, this thesis investigates preferably simple and low-complexity equalizer structures, which are able to compensate well for the nonlinear characteristics and influences of the intensity-modulated optical communication link with direct detection. Starting with system modeling and the introduction to different equalization methods, we identify low-complexity feed-forward and decision-feedback equalizers in the first part of this thesis. We further put their chromatic and polarization mode dispersion compensation performance to the broader context by comparison to maximum likelihood sequence estimation. Finally, we come to the investigation of adaptation algorithms for equalizer coefficient adjustment, which accounts for the time-variant nature of polarization mode dispersion, while still targeting preferably simple and efficient realization.